JP2008046007A - 薄膜ガスセンサの異常検知方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si基板1のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層2を介してヒータ層3を形成し、電気絶縁膜4を介して一対の感知層電極5bを形成すると共に、これらの感知層電極5bに接するように半導体薄膜により感知層5cを形成し、この感知層5cの最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層5dにより覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、ヒータ層3の通電時におけるヒータ層温度とヒータ層3の非通電時におけるヒータ層温度との差を求め、この温度差が所定温度範囲外である場合に薄膜ガスセンサの異常と判断して報知する。
【選択図】図1
Description
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、何れもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。このため、普及率を向上させるべく、設置性の改善、具体的には、電池駆動としてコードレス化することが望まれている。
図1の薄膜ガスセンサは、Si基板1、熱絶縁支持層2、ヒータ層3、電気絶縁層(スパッタSiO2層)4、ガス感知層5を備えている。熱絶縁支持層2は、熱酸化SiO2層2a、CVD−Si3N4層2b、CVD−SiO2層2cの三層構造となっている。
また、ガス感知層5は、接合層5a、感知層電極5b、感知層5c、ガス選択燃焼層5dからなっている。ここで、感知層5cはアンチモンがドープされた二酸化スズ層(Sb−doped SnO2層)であり、ガス選択燃焼層5dはパラジウムを触媒として担持したアルミナ焼結材(Pd担持Al2O3焼結材)である。
また、熱絶縁支持層2は上記貫通孔の開口部に張られてダイアフラム状に形成されている。熱酸化SiO2層2aは熱絶縁層として形成され、ヒータ層3により発生する熱がSi基板1側へ伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。この熱酸化SiO2層2aはプラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによるSi基板1への貫通孔の形成を容易にしている。CVD−SiO2層2cは、ヒータ層3との密着性を向上させると共に電気的絶縁を確保している。
感知層電極5bは、例えばPt(白金)膜またはAu(金)膜からなり、感知層5cの電極となるように左右一対に設けられる。感知層5cは、一対の感知層電極5b,5b間に渡るように電気絶縁層4の上面に形成されている。
上記構成の薄膜ガスセンサは、ダイアフラム構造により高断熱,低熱容量の構造となっている。
これまでに、ガスセンサの抵抗値を監視したり、あるいは、ヒータ電流を監視してヒータの劣化や断線に伴う電流値変化を検出する、等の方法により、半導体ガスセンサの異常を検出する技術が公知となっている。
例えば、特許文献2には、ヒータに直列に接続された電流検出抵抗を備え、その抵抗値と電流検出抵抗の両端電圧とからヒータ電流を算出すると共に、このヒータ電流の変化や電流値に基づいてヒータの断線や劣化異常を検出するガス警報器が記載されている。
また、特許文献2のようにヒータ電流に基づいて異常を検出する方法によると、ヒータの断線や劣化等を検出することは一応可能であるが、ヒータの抵抗温度特性により周囲温度の影響を受けてしまい、ヒータ電流を正確に算出できないという問題があった。
前記ヒータ層の通電時におけるヒータ層温度と、前記ヒータ層の非通電時におけるヒータ層温度との差を求め、この温度差を用いて薄膜ガスセンサの異常を検知するものである。
前記ヒータ層の通電時及び非通電時におけるヒータ層の抵抗値と、基準温度における前記ヒータ層の抵抗値と、抵抗温度係数とを用いて、前記温度差を求めるものである。
前記温度差が所定の温度範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記温度差が所定の温度範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定してその異常を報知するものである。
前記ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答の変化から、前記薄膜ガスセンサの異常を検知するものである。
前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時及び非通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出するものである。
前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出するものである。
前記ヒータ層温度の過渡応答を、前記ヒータ層抵抗値の過渡応答として検出するものである。
前記ヒータ層抵抗値の過渡応答を、前記ヒータ層と直列に接続されたシャント抵抗の両端電圧値の変化として検出し、この両端電圧値の変化から前記薄膜ガスセンサの異常を検知するものである。
前記ヒータ層温度の過渡応答として、一定期間における前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値の勾配を検出し、この勾配が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記勾配が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定してその異常を報知するものである。
前記ヒータ層温度の過渡応答として、前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値が所定値に達するまでの時間を検出し、この時間が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記時間が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定してその異常を報知するものである。
また、請求項4〜10に係る発明は、ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答の変化から、薄膜ガスセンサの異常を検知するものであり、前記ヒータ層温度の過渡応答を、例えばヒータ層抵抗値の過渡応答として検出するものである。
このため、仮に周囲のガスや周囲温度の影響があったとしても、これらの要因は、通電時におけるヒータ層の算出温度と非通電時におけるヒータ層の算出温度や、ヒータ層温度(ヒータ層抵抗値)の過渡応答の変化に反映されているので、薄膜ガスセンサの異常検知に影響することはなく、ヒータの劣化や断線を含む各種の異常を高精度に検知することができる。
また、ガスセンサを構成する各層の異常に応じたヒータ層の微小な温度変化から、薄膜ガスセンサの故障を未然に検出することができる。
本発明の実施形態が適用される薄膜ガスセンサは、例えば前述の図1に示すガスセンサである。その構成については重複を避けるために説明を省略し、以下では図1の薄膜ガスセンサの製造方法を述べる。
次に、ヒータ層3及び電気絶縁層4をスパッタ法により順次形成する。そして、電気絶縁層4上に接合層5a、感知層電極5b及び感知層5cを順次成膜する。接合層5a及び感知層電極5bの成膜にはRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。成膜条件は、接合層(TaまたはTi)5a、感知層電極(PtまたはAu)5bとも同じであり、Arガス圧力1Pa、基板温度300℃、RFパワー2W/cm2、膜厚は接合層5a/感知層電極5b=500Å/2000Åである。
最後に、シリコンウェハーの裏面からエッチングによりシリコンを除去して貫通孔を形成することによりSi基板1とし、ダイアフラム構造の薄膜ガスセンサを得る。
[数式1]
R/R0=αT+1
ここで、Rは温度Tにおけるヒータ層3の抵抗値、R0は基準温度(例えば0℃等)におけるヒータ層3の抵抗値、αはヒータ層3の抵抗温度係数である。
通電時(加熱時)におけるヒータ層3の抵抗値を測定する方法としては、予め抵抗値を把握したシャント抵抗をヒータ層3と直列に接続して通電時のヒータ層3の両端電圧値とシャント抵抗の両端電圧値とを読み取り、これら二つの両端電圧値とシャント抵抗値とを用いてヒータ層3の抵抗値を算出する方法がある。
なお、ヒータ層3の昇温時または降温時におけるヒータ層3の抵抗値の過渡的な変化(過渡応答)を把握する方法としては、ヒータ層3に直列に接続したシャント抵抗の両端電圧値を監視する方法がある。
まず、R0,αを入力してメモリに格納する(S1)。次に、ヒータ層3が非通電状態であるオフ時の抵抗値Roffを読み込んでレジスタに格納する(S2)。次いで、Toff=(Roff−R0)/(αR0)を演算してオフ時のヒータ層3の温度Toffを計算する(S3)。
その後、ヒータ層3に通電してオン時における抵抗値Ronを読み込み、レジスタに格納する(S4)。そして、Ton=(Ron−R0)/(αR0)を演算してオン時のヒータ層3の温度Tonを計算する(S5)。
なお、一般にガス漏れ警報器では、ガス漏れの判断や警報の発生のためにマイコンを使っているので、ここではマイコンにより図3のフローチャートを実行して異常判定を行う場合を説明したが、上記の異常判定手段をディスクリート部品により構成しても本発明の趣旨を逸脱するものではない。
すなわち、図4は、図1に示した断面構造の薄膜ガスセンサを、50℃80%RHの高温多湿中で、駆動条件としてヒータ層3のON時温度400℃、ON時間0.1sec、OFF時間2secでパルス状に通電した場合の、温度Ton、温度差ΔT、水素選択比の経時変化をヒータON回数(パルス通電回数)に対応させてまとめたものである。
なお、ヒータON回数が345.6万回になった時の分析結果によれば、選択燃焼層9が完全に剥離していたことから、部分剥離が徐々に進行して最終的に完全剥離に至ったものと考えられる。
図5(a),(b)は、ヒータ層3の昇温(加熱)開始後のヒータ層抵抗値Rの時間変化を、故障(ガス選択燃焼層5dの剥離)の前後で比較したものであり、故障前に比べて故障後は、ヒータ層抵抗値が短時間で上昇していることが分かる。
また、図5(c),(d)は、ヒータ層3の昇温を開始してからヒータ層温度(ヒータ層抵抗値)が十分に定常状態となる200ms経過後のヒータ層抵抗値を100%として(縦軸に「ヒータ抵抗応答性」として表す)、図5(a),(b)を書き換えたものである。この図5(c),(d)によれば、故障前のヒータ層抵抗値の90%応答時間は12.5msであるのに対し、故障後のヒータ層抵抗値の90%応答時間は5.5msと極端に短くなっているのが分かる。
この図6によれば、故障時において、ヒータ層温度をステップ状に上昇させた際にヒータ層抵抗値が急激に増加しているのが明らかである。
ここで、ヒータ層抵抗値の初期応答勾配は、ヒータ層3の昇温を開始してから2ms経過後のヒータ層抵抗値を加熱開始時(0ms)のヒータ層抵抗値(室温抵抗)によって除した値であり、ヒータ層抵抗値の90%応答時間は、ヒータ層3の昇温を開始してから200ms経過後(定常時)のヒータ層抵抗値を100%としたときにヒータ抵抗値が90%になるまでの時間である。
なお、ヒータ層抵抗値の過渡応答は、前述したようにヒータ層3に直列に接続したシャント抵抗の両端電圧値を監視することによって検出可能である。
なお、ヒータON回数が259.2万回になった時の分析結果によれば、選択燃焼層9が完全に剥離していたことから、部分剥離が徐々に進行して最終的に完全剥離に至ったものと考えられる。
更に、図7を参照して説明したように、ヒータ層抵抗値(言い換えればヒータ層温度)がある基準値に達するまでの勾配や時間が、正常時と故障時とでは明らかに異なるので、これらの勾配や時間が所定範囲内にある場合には正常、所定範囲外となった場合には異常と判定してその異常を報知することが可能である。
2:熱絶縁支持層
2a:熱酸化SiO2層
2b:CVD−Si3N4層
2c:CVD−SiO2層
3:ヒータ層(Ni−Cr)
4:電気絶縁層
5:ガス感知層
5a:接合層
5b:感知層電極
5c:感知層(Sb−doped SnO2層)
5d:ガス選択燃焼層(Pd担持Al2O3焼結材)
Claims (10)
- Si基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ層の通電時におけるヒータ層温度と、前記ヒータ層の非通電時におけるヒータ層温度との差を求め、この温度差を用いて前記薄膜ガスセンサの異常を検知することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項1に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層の通電時及び非通電時におけるヒータ層抵抗値と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数とを用いて、前記温度差を求めることを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項1または2に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記温度差が所定の温度範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記温度差が所定の温度範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定してその異常を報知することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - Si基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答の変化から、前記薄膜ガスセンサの異常を検知することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項4に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時及び非通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項4に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項4〜6の何れか1項に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層温度の過渡応答を、前記ヒータ層抵抗値の過渡応答として検出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項7に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層抵抗値の過渡応答を、前記ヒータ層と直列に接続されたシャント抵抗の両端電圧値の変化として検出し、この両端電圧値の変化から前記薄膜ガスセンサの異常を検知することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項4〜8の何れか1項に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層温度の過渡応答として、一定期間における前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値の勾配を検出し、この勾配が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記勾配が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定してその異常を報知することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。 - 請求項4〜8の何れか1項に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
前記ヒータ層温度の過渡応答として、前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値が所定値に達するまでの時間を検出し、この時間が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記時間が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定してその異常を報知することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
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